双发混动矿用重型电动轮自卸车电驱动系统容错控制方法与流程

本技术涉及矿用车辆电驱动控制，尤其涉及一种双发混动矿用重型电动轮自卸车电驱动系统容错控制方法。

背景技术：

1、大吨位电动轮矿用自卸车因机械强度高、运力大等特点，主要用于露天矿山剥离物及矿料的短途运输，是煤矿、铁矿、有色金属矿等资源产业链中的核心生产装备，广泛应用于冶金、煤炭、有色、化工、建材等七大矿业领域。

2、目前，市场上主流的电动轮矿用自卸车普遍采用柴油发电机组发电，通过电传动系统直接驱动后桥电机。相较于传统的机械传动式矿用自卸车，该电驱动方案在转差控制、转速精度、运行稳定性及节油性等方面均具有显著优势。然而，受限于矿山作业特性，矿用自卸车通常采用7×24小时三班倒全年无休的运行模式，燃油消耗量极其巨大。以载重240吨级车型为例，年柴油使用费用高达数百万元，运营成本居高不下；同时，大量尾气排放也导致矿坑空气污染问题日益严峻。

3、近年来，新能源技术的蓬勃发展为工程机械行业带来了新的变革机遇。增程式混动方案兼具纯电驱动体验与无续航焦虑的双重优点，且能够完美继承现有电驱动架构，在节能环保、动力性能及运行效率等方面效果显著。然而，大吨位矿用自卸车具有“大产品、小市场”的特殊性，对产品可靠性、耐久性及使用寿命要求极为严苛，单车售价高昂，因设备故障导致的生产停机损失数额巨大，因此对电驱动系统的稳定性提出了极高要求。

4、在增程式混动矿用自卸车的实际应用中，除新增动力电池外，由于电压等级差异，还需增设大功率双向dcdc变流器以实现动力电池与高压直流母线之间的双向能量交互及充放电控制；同时，得益于动力电池电压平台，原有机械驱动的车体散热风机、直流驱动的制动电阻风机也可升级为由交流变频器驱动，从而显著提升系统效率与控制精度。但硬件设备的增加在提升系统性能的同时，也导致系统拓扑结构更加复杂，容错控制的难度进一步加大。此外，增程式混动系统涉及怠速充电、行车充电、混合驱动、再生制动、纯电驱动等多种工作模式的实时切换，其控制策略较传统单一动力源系统更为繁琐，对整车的稳定性和安全性带来了严峻挑战。

5、针对上述新型双发混动电动轮矿用自卸车所面临的复杂运行工况及高可靠性需求，现有的电驱动系统容错控制策略在故障预警实时性、故障分级处理精细度以及带故障运行能力等方面均存在明显不足。因此，亟需开发一种针对该新型拓扑结构的智能、高效且完善的容错控制策略，以充分发挥双发混动拓扑优势，提高矿用自卸车的出勤率和产出率，保障其在恶劣工况下的安全稳定运行。

技术实现思路

1、本技术的目的是针对现有技术所存在的缺陷，提供一种双发混动矿用重型电动轮自卸车电驱动系统容错控制方法和系统，以解决现有技术中所存在的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种双发混动矿用重型电动轮自卸车电驱动系统容错控制方法，所述电驱动系统包括dcdc变换器、斩波器、牵引电机、制动电阻风机和车体风机，所述方法包括：

3、对电驱动系统的动力参数和热管理参数进行实时监测，并将监测数据与预设健康参数集进行对比，当监测数据出现异常趋势时，在触发故障之前对牵引功率、斩波功率和/或dcdc功率进行调节；

4、根据故障类型和严重程度，将故障划分为轻故障、中故障和重故障；

5、当为轻故障时，执行故障自复位及带速重投策略；其中，牵引电机的重要性等级高于制动电阻风机，制动电阻风机的重要性等级高于车体风机；对牵引电机采用输出电压脉冲检测与转速传感器检测的双保险融合检测算法进行带速重投，对制动电阻风机采用转速传感器检测算法进行带速重投，对车体风机采用电流检测自搜索追频算法进行带速重投；

6、当为中故障时，执行限功限速处理；

7、当为重故障时，执行故障屏蔽并进入带病运行模式。

8、在一种可能的实现方式中，所述电驱动系统包括：

9、第一柴油发电机组和第二柴油发电机组，所述第一柴油发电机组包括依次连接的第一柴油发动机、第一交流发电机和第一整流器，所述第二柴油发电机组包括依次连接的第二柴油发动机、第二交流发电机和第二整流器；

10、直流母线，并联连接所述第一整流器、所述第二整流器、所述dcdc变换器和所述斩波器，用于实现各设备之间的能量交互；

11、第一牵引逆变器和第二牵引逆变器，分别连接至所述第一整流器和第二整流器的直流输出端，用于将直流母线的直流电逆变为交流电，分别驱动第一交流电动机和第二交流电动机；

12、第一交流电动机和第二交流电动机，分别连接至所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的交流输出端，并用于驱动矿用自卸车的后桥。

13、在一种可能的实现方式中，

14、第一交流发电机和第二交流发电机的励磁电流、输出电压、输出电流；第一交流电动机和第二交流电动机的输出电流、输出电压、转速；三电平双向dcdc变换器的上电容母线电压、下电容母线电压、输出电压、低压侧电流；动力电池的电压、soc、允许充放电电流阈值，所述允许充放电电流阈值由bms交互至变流柜；

15、所述热管理参数包括：第一交流发电机和第二交流发电机的绕组温度和轴承温度；第一交流电动机和第二交流电动机的绕组温度和轴承温度；变流柜内部各功率模块温度；动力电池各模组温度；制动电阻风机的转速和风压开关信号；

16、其中，发电机的绕组温度和轴承温度、电动机的绕组温度和轴承温度、功率模块温度由变流柜直接监控，电池模组温度由bms监控并交互至变流柜，制动电阻的散热状态由变流柜通过监测所述风机转速和风压开关信号间接获得。

17、在一种可能的实现方式中，所述轻故障包括：直流母线瞬时过压、牵引电机瞬时过流、dcdc变换器上下电容母线电压不平衡；所述轻故障由工况突变引发，故障复位后自动消失；

18、所述中故障包括：发电机绕组温度超限、发电机轴承温度超限、电动机绕组温度超限、电动机轴承温度超限、功率模块温度超限、电池模组温度超限、制动电阻阻值异常、制动电阻风道部分堵塞；所述中故障导致系统性能减弱但设备未完全失效，所述限功限速处理为将功率和速度限制为额定值的50%-70%；

19、所述重故障包括：单路柴油发电机组故障、单路整流模块故障、单路动力电池故障、单路dcdc模块故障、单路牵引逆变器故障、单路牵引电机故障。

20、在一种可能的实现方式中，所述带速重投策略中的故障自复位，包括：

21、当所述轻故障触发系统停机保护后，系统自动检测所述轻故障是否已自行消失；

22、若所述轻故障已消失，则根据当前电机负载的重要性等级，采用对应的带速重投算法恢复电机运行，实现司机端的无感知故障恢复；

23、若所述轻故障未消失，则维持停机保护状态并上报故障信息。

24、在一种可能的实现方式中，所述双保险融合检测算法包括：

25、利用输出电压传感器检测电机定子侧的电压脉冲，根据异步电机断电后转子残余电流在气隙中形成残余磁通并在定子侧产生反电动势的剩磁发电效应，采用频率快速迭代自搜索算法检测电机初始转速，记为init_spd1；

26、同时利用转速传感器检测电机初始转速，记为init_spd2；

27、将init_spd1与init_spd2进行融合判断，当|init_spd1-init_spd2|小于预设的转速偏差阈值1mt时，采用init_spd2作为带速重投的初始转速；当|init_spd1-init_spd2|大于或等于预设的转速偏差阈值1mt时，采用init_spd1作为带速重投的初始转速，并利用init_spd1对转速传感器的零漂进行实时校正，直至|init_spd1-init_spd2|小于预设的转速偏差阈值1mt。

28、在一种可能的实现方式中，所述频率快速迭代自搜索算法包括：

29、步骤a，将上次断电时刻电机运行频率f作为搜索初始频率f_set，令f_set=f，以额定电流in作为电流闭环控制的给定值i_set；

30、步骤b，实时监测电机三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经clark变换得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β和电压分量u_α、u_β，计算反馈电流有效值ifdb=sqrt(iα²+iβ²)/sqrt(2)和反馈电压有效值u_fdb=sqrt(uα²+uβ²)/sqrt(2)；将ifdb与i_set进行比较，通过pi调节器输出电压幅值um，经svpwm调制后驱动逆变器向电机输出电压；

31、步骤c，通过电压传感器采集电机端的反馈电压u_fdb，并根据电机的u/f曲线获取当前频率对应的预设电压u_set，计算电压误差u_err=u_set-u_fdb；

32、步骤d，若u_err＞预设的电压误差阈值lmt，则令f_set=f_set-(u_err/un*fn)；

33、若u_err＜-lmt，则令f_set=f_set+(u_err/un*fn)；其中un为电机额定电压，fn为电机额定频率；

34、步骤e，重复步骤c至步骤d，直至|u_err|≤lmt，完成频率搜索，令当前f_set为电机实际频率f_sk。

35、在一种可能的实现方式中，所述电流检测自搜索追频算法包括：

36、步骤a，令电机额定频率fn作为搜索初始频率f_set，令f_set = fn，设置电压幅值为0.2un，其中un为电机额定电压，以所述电压幅值向电机注入电压脉冲；

37、步骤b，获取当前的转矩电流分量iq，并判断|iq|是否大于预设的转矩电流阈值imt，若否，则当前f_set即为实际运行频率，完成频率搜索；

38、步骤c，若|iq|＞imt，将当前转矩电流分量记为iq1，令f_set=1/2*fn，重新注入电压脉冲并获取新的转矩电流分量iq；

39、步骤d，若|iq|≤imt，则当前f_set即为实际运行频率，完成频率搜索；若|iq|＞imt，则判断iq×iq1的符号：若iq×iq1＞0，则判定当前设定频率大于实际运行频率，令f_set = 1/4*fn；若iq×iq1＜0，则判定当前设定频率小于实际运行频率，令f_set=3/4*fn；

40、步骤e，以步骤d中重新设定的f_set注入电压脉冲并获取新的iq，重复步骤b至步骤d，直至|iq|≤imt，完成频率搜索。

41、在一种可能的实现方式中，所述进入带病运行模式具体包括：

42、当双路柴油发电机组中仅单路发生故障，且动力电池和dcdc变换器均正常时，进入单发混动模式，限速限功运行；

43、当双路柴油发电机组均发生故障，且动力电池正常，且dcdc变换器正常时，进入纯电模式，限速限功运行；

44、当双路柴油发电机组均发生故障，且动力电池正常，但dcdc变换器发生故障时，进入无交互隔离供电模式，限速限功运行；

45、当单路牵引逆变器或单路牵引电机发生故障时，进入跛行模式，限速五公里/小时限功运行；

46、当双路柴油发电机组均正常，但动力电池和/或dcdc变换器发生故障时，进入纯油模式，限速限功运行；

47、当车辆处于所述带病运行模式时，变流柜向司机发出故障检修提示，并维持车辆运行直至抵达检修点或完成当前运输任务。

48、在一种可能的实现方式中，所述电驱动系统的散热方式包括：

49、所述第一交流发电机和所述第二交流发电机分别采用同轴驱动的机械式风机进行散热，所述机械式风机与对应的发动机同轴连接，由所述发动机机械驱动；

50、所述变流柜、所述第一交流电动机、所述第二交流电动机和所述车体风机共同构成风冷散热回路，所述变流柜、所述第一交流电动机和所述第二交流电动机均无独立散热风机，均依靠所述车体风机进行散热；

51、所述车体风机为电驱动的离心风机，安装于风道中间位置，所述变流柜位于风道前端，所述第一交流电动机和所述第二交流电动机位于风道后端，所述车体风机从风道前端吸风、向风道后端吹风，同时为所述变流柜、所述第一交流电动机和所述第二交流电动机提供散热风量；其中，所述离心风机为交流变频风机的一种；

52、所述制动电阻采用交流变频风机进行风冷散热；

53、所述动力电池采用液冷机组进行液冷散热；

54、其中，所述制动电阻的最高允许温度为700℃以上，无法设置温度传感器，所述方法通过监测所述制动电阻风机的转速和风压开关信号间接获取所述制动电阻的散热状态。

55、应用本技术提供的双发混动矿用重型电动轮自卸车电驱动系统容错控制方法，具有以下技术效果：

56、（1）建立实时监控的容错预警机制，实现主动式故障预防。本发明通过对动力系统的电气参数和热管理系统的温度参数进行全过程监控，实时检测各设备运行状态并与预设健康参数集对比，当参数出现异常趋势时，在触发故障之前即对牵引功率、斩波功率和/或dcdc功率进行调节。与现有技术中故障发生后被动停机的处理方式相比，本发明实现了故障预警和主动干预，有效防止了故障扩大化。

57、（2）建立故障分级的容错处理机制，实现精细化容错控制。本发明通过对故障类型进行分级判断，实现差异化处置：针对瞬时过压、过流等轻故障，通过自复位及带速重投实现司机无感知恢复；针对温度超限、电阻异常、风道堵塞等中故障，通过50%-70%限功限速处理，在保证设备安全前提下继续完成运输任务；针对单路发电机组、动力电池、驱动等重故障，通过屏蔽故障设备进入带病运行模式，限速五公里/小时自主行驶至检修点。由此避免了因故障停车导致的运输编组受阻，充分发挥了双发混动冗余拓扑优势，显著提高了出勤率和产出率。

58、（3）建立分级带速重投策略，兼顾性能与成本。本发明根据电机负载重要性设计三级控制策略：牵引电机采用双保险融合检测算法，确保一次性投切成功；制动电阻风机采用转速传感器检测算法，保证性能的同时适度降低成本；车体风机采用电流检测自搜索追频算法，在满足基础功能的前提下显著降低成本。实现了重要负载高可靠保护、一般负载低成本实现的优化配置。

59、（4）双保险融合检测算法确保一次性投切成功。本发明并行使用输出电压脉冲检测法和转速传感器法两种策略，基于剩磁发电效应检测初始转速init_spd1，同时利用转速传感器检测init_spd2。当两者偏差超阈值时采用init_spd1并实时校正传感器零漂。与现有技术中单一检测方式相比，本发明在快速响应基础上确保了一次性带速重投成功，有效消除了传感器干扰影响，提高了系统安全性。

60、（5）频率快速迭代自搜索算法显著提升搜索效率。本发明通过额定电流闭环控制将电机电流限制在额定值以内，避免了搜索过程过流；引入频率记忆功能，以断电时刻频率作为初始搜索频率，相较于从f_max或1/2f_max开始搜索效率更高；以u_err/un*fn作为动态步长因子，相较于传统二分法步长搜索，可根据电压接近范围自适应调整步长，扫频过程更高效快速。

61、（6）低成本电流检测自搜索追频算法实现低成本高精度。本发明将电压幅值限制为额定电压的20%防止过流；采用二分法双向扫频，相较于传统单向扫频辨识效率更高；通过检测转矩电流分量代替传统电流方向判断，辨识结果更精确。适用于车体风机等大惯性场景，实现了低成本带速重投。

62、（7）系统整体出勤率提升。本发明通过容错预警、故障分级处置、分级带速重投及多种创新算法的协同作用，实现了从被动响应到主动预防、从故障停车到带病运行、从单一控制到分级优化的全面跨越，有效解决了矿用自卸车因故障导致的生产损失大、运营成本高等行业痛点，为恶劣工况下的长期稳定运行提供了可靠保障。